基于虛擬儀器的溫度測量系統(tǒng)設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）基于虛擬儀器的溫度測量系統(tǒng)設計The Design of Temperature Measurement System Based on Virtual Instrument Technology學 院（系）： 機電系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： 學 號： 指 導 教 師（職稱）： 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 基于虛擬儀器的溫度測量系統(tǒng)設計機械設計制造及其自動化專業(yè)摘 要：論文首先簡單介紹虛擬溫度測量系統(tǒng)研究的背景、目的及意義，給出了虛擬溫度測量系統(tǒng)總體方案的設計，然后對數(shù)據(jù)采集模塊和LABVIEW的軟件模

2、塊進行了設計?；贚abVIEW為軟件平臺，通過熱電偶冷端補償?shù)姆椒ㄟM行溫度測量。有效地運用了LabVIEW虛擬儀器技術，將諸多重要步驟都在配備硬件的普通PC電腦上完成，與傳統(tǒng)的溫度測量儀表相比，該系統(tǒng)具有結構簡單、成本低、構建方便、工作可靠等特點具有較高應用價值，是虛擬儀器技術應用于溫度測量領域的一個典型范例。關鍵詞：溫度測量；LabVIEW虛擬儀器；熱電偶；冷端補償The Design of Temperature Measurement System Based on Virtual Instrument TechnologyDesign and manufacture of machi

3、nery and automation MajorMA WenkuiAbstract: The virtual temperature measurement system introduced in this paper can achieve the measurement, the collection, data processing, recording and display of multi-channel temperature. It uses LabVIEW as software platform，by the way of Thermocouple cold joint

4、 compensating, to complete temperature measurement. The LabVIEW virtual instrument technology is efficiently used to complete many important processes in common PC computer which is integrated of hardwares, Compared with the traditional temperature measurement instrument,this system has the advantag

5、es of simple structure,low cost，easy operation and high stability.Key words:Temperature Measurement；LabVIEW Virtual instrument；Thermocouple；Cold Joint Compensating目 錄1 緒 論1.1 虛擬溫度測量系統(tǒng)研究的背景、目的及意義1.1.1 研究背景虛擬儀器的技術基礎是計算機技術，核心是計算機軟件技術。Labview使用了“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，提供了許多儀器面板中的控制對象，如表頭、旋鈕、開關及坐標平面圖等。所謂虛擬儀器

6、就是以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機的運算、存儲、回放、調用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結合構成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用了計算機智能資源的全新儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，它的最大特點就是把由儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，滿足多種多樣的應用需求。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的設計思想。虛擬儀器最有代表性的圖形化編程軟件是美國NI公司推出的Labview（labo

7、ratory virtual instrument engineering workbench即實驗室虛擬儀器工作平臺）。Labview使用了“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，提供了許多儀器面板中的控制對象。如表頭、旋鈕、開關及坐標平面圖等。用戶可以通過使用編輯器將控制對象改變?yōu)檫m合自己工作領域的控制對象。就是Labview提供了多種強有力的工具箱和函數(shù)庫，并集成了很多儀器硬件庫。以Labview支持多種操作系統(tǒng)平臺，在任何一個平臺上開發(fā)的Labview應用程序可直接移植到其它平臺上。1.1.2 研究的目的及意義隨著現(xiàn)代測試技術的不斷發(fā)展，以LABVIEW為軟件平臺虛擬儀器測量技術正在現(xiàn)

8、代測控領域占據(jù)越來越重要的位置。因此如何能將溫度測量與LABVIEW 虛擬儀器相結合就成了溫度測試領域的一個新課題。目前的測溫控制系統(tǒng)大都使用傳統(tǒng)溫度測量儀器其功能大多都是由硬件或固化的軟件來實現(xiàn)，而且只能通過廠家定義、設置，其功能和規(guī)格一般都是固定的，用戶無法隨意改變其結構和功能，因此已不能適應現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)的要求。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，美國國家儀器公司率先提出了虛擬儀器的概念，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，使測控儀器發(fā)生了巨大變革。虛擬儀器技術充分利用計算機的強大運算處理功能，突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸、存儲等方面的限制，通過交互式圖形界面實現(xiàn)系統(tǒng)控制和顯示

9、測量數(shù)據(jù)，并使用框圖模塊指定各種功能。采用集成電路溫度傳感器和虛擬儀器方便地構建一個測溫系統(tǒng)，且外圍電路簡單，易于實現(xiàn)，便于系統(tǒng)硬件維護、功能擴展和軟件升級。1.2 論文的設計任務及擬完成的主要工作1.2.1 設計任務本設計要求創(chuàng)建一個虛擬溫度測量分析系統(tǒng)。在測量一個實際的物理信號時，必須用一個傳感器或轉換器把物理信號（如溫度、壓力等非電量信號）轉化為電信號（如電壓、電流信號），再通過一個數(shù)據(jù)采集卡（含信號調理電路）對這些電信號進行處理（如濾波、放大、線性化、A/D等），將模擬信號轉換為可以處理的數(shù)字信號，由虛擬儀器進行計算、分析、顯示，并存儲結果。技術要求：（1）所選傳感器和自制的調理電路工

10、作可靠。（2）能夠以圖形方式顯示信號波形，顯示準確，穩(wěn)定。（3）能夠實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的存儲、回放、超限報警等功能。（4）測量精度滿足系統(tǒng)要求。（5）界面友好、操作方便。1.2.2 論文完成的主要工作（1）簡單介紹虛擬溫度測量系統(tǒng)研究的背景、目的及意義；（2）虛擬溫度測量系統(tǒng)總體方案的設計；（3）選用或自行設計一個符合系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)采集卡；（4）數(shù)據(jù)采集卡通道的配置；（5）虛擬溫度測量儀器前面版的設計；（6）虛擬溫度測量儀器框圖的設計；（7）系統(tǒng)調試,可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲及波形顯示。2 虛擬溫度測量系統(tǒng)總體方案的設計2.1 虛擬儀器技術與LabVIEW簡介虛擬技術、計算機通信技術與網(wǎng)絡技術是信息技術

11、三大核心技術，其中虛擬儀器是虛擬技術的一個重要組成部分。虛擬儀器（Virtual Instrument,簡稱VI）是突破傳統(tǒng)儀器概念的最新一代測量儀器，它利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件，由用戶自己定義來完成各種測試、測量和控制的應用。其本質特征是：“軟件就是儀器”。它是基于計算機的軟硬件測試平臺，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等;可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng);可自由構建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器技術具有性能高、擴展性強、開發(fā)時間少和出色的集成四大優(yōu)勢，使其成為現(xiàn)代測控技術的發(fā)展趨勢。LabVIEW（Laboratory Virtual Instr

12、ument Engineering Workbench實驗室虛擬儀器工程平臺）是一個程序開發(fā)環(huán)境。它使用圖形化編程語言G在流程圖中創(chuàng)建源程序，而非使用基于文本的語言來產(chǎn)生源程序代碼。LabVIEW還整合了諸如滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485以及數(shù)據(jù)采集卡等硬件通訊的全部功能。內置了便于TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)。LabVIEW程序被稱為虛擬儀器（VIs），是因為它們的外觀和操作能模仿實際的儀器。即使用戶沒有多少編程經(jīng)驗，同樣也能利用LabVIEW來開發(fā)自己的應用程序。2.2 總體方案的設計虛擬儀器測溫系統(tǒng)是用虛擬儀器技術改造傳統(tǒng)的測溫儀，使其具有更強大的功能

13、。系統(tǒng)框架如圖所示，儀器系統(tǒng)通過前端感溫裝置的傳感元件，將被測對象的溫度轉換為電壓或電流等模擬信號，經(jīng)信號調理電路進行功率放大、濾波等處理后，變換為可被數(shù)據(jù)采集卡采集的標準電壓信號。在數(shù)據(jù)采集卡內將模擬信號轉換為數(shù)字信號，并在數(shù)據(jù)采集指令下將其送入計算機總線，在PC機內利用已經(jīng)安裝的虛擬儀器軟件對采集的數(shù)據(jù)進行所需的各種處理。圖2-1溫度測量系統(tǒng)原理框3 硬件系統(tǒng)設計3.1 溫度傳感器及調理電路3.1.1 傳感器選型溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發(fā)，應用最廣的一類傳感器。在半導體技術的支持下，本世紀相繼開發(fā)了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器

14、和集成溫度傳感器。與之相應，根據(jù)波與物質的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。溫度是測量頻度最高的物理參數(shù)，并且可采用各種各樣的傳感器來進行測量。所有這些傳感器均通過檢測某種物理特性的變化來推斷溫度。溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。 溫度計通過傳導或對流達到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內，溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容

15、量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術在國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應用和超導技術的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準確度高、復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量1.630

16、0K范圍內的溫度。非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法（見光學高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）。各類輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組

17、織等有關，因此很難精確測量。在自動化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實測溫度進行相應的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，從而提高有效發(fā)射系數(shù)：式中為材料表面發(fā)射率，為反射鏡的反

18、射率。至于氣體和液體介質真實溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即介質溫度）進行修正而得到介質的真實溫度。非接觸測溫優(yōu)點：測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于1800以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術的發(fā)展，輻射測溫逐漸由可見光向紅外線擴展，700以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。傳感器選擇主要根據(jù)測量范圍。當測量范圍預計總量程之內，選用鉑電阻傳感器。較窄量程通常要求傳感器必須具相當高基本電阻，以便獲得足夠

19、大電阻變化。熱敏電阻所提供足夠大電阻變化使得這些敏感元件非常適用于窄測量范圍。如果測量范圍相當大時，熱電偶更適用。最好將冰點也包括此范圍內，因熱電偶分度表以此溫度基準。已知范圍內傳感器線性也作選擇傳感器附加條件。熱電偶作為測溫元件，其結構簡單、制造容易、使用方便、測溫精度較高，可就地測量和遠傳。在工作時，只要與顯示儀表配合即可測量氣體、液體、固體的溫度。熱電偶可以用來測量一2001600范圍內的溫度，有些熱電偶甚至可測2000以上溫度。所以熱電偶是使用最廣泛的測溫元件之一。通過熱電偶冷端補償進行溫度測量是一種傳統(tǒng)、有效的方法。3.1.2 熱電偶工作原理熱電偶是由兩種金屬(或合金) 材料構成的溫

20、度傳感器。熱電偶具有熱電效應, 當兩種金屬A和B 構成閉合回路、并且在兩個結點存在溫度差時, 就會產(chǎn)生溫差熱電勢。有公式:e= EAB(T1)EAB(T0) kq (T1T0) A BEAB (T1)、EAB (T0) 分別為熱端(T1)、參考端(T0) 的熱電勢。習慣上將參考端稱作冷端, 此端溫度即測溫儀表所處環(huán)境的溫度, k 為波耳茲曼常數(shù), q 是電子電量, AB依次為金屬A、B 中自由電子的密度。顯然, 當T1 T0 時, 熱電勢e 為正; T 1 T0 時e 為負; 當T1 = T0 時,e = 0。為準確測量溫度, 可將冷端置于冰水混合物中, 使之保持在0環(huán)境下, 但這會給測量帶來

21、不便; 通常采用負溫度系數(shù)的熱敏元件(如熱敏電阻) 進行補償。而利用集成溫度傳感器不僅可實現(xiàn)熱電偶冷端溫度的自動補償, 且補償效果更好。圖3-1 熱電偶回路電動勢通過將參考結點保持在已知溫度上并測量該電壓，便可推斷出檢測結點的溫度。熱電偶的優(yōu)點是工作溫度范圍非常寬，而且體積極小。不過，它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來自導線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺陷。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有

22、統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。工業(yè)測溫用的熱電偶，其基本構造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護管和接線盒等。常用熱電偶絲材及其性能：1、鉑銠10鉑熱電偶（分度號為，也稱為單鉑銠熱電偶）該熱電偶的正極成份為含銠10%的鉑銠合金，負極為純鉑；它的特點是：（）熱電性能穩(wěn)定、抗氧化性強、宜在氧化性氣氛中連續(xù)使用、長期使用溫度可達1300，超達1400時，即使在空氣中、純鉑絲也將會再結晶，使晶粒粗大而斷裂；（）精度高，它是在所有熱電偶中，準確度等級

23、最高的，通常用作標準或測量較高的溫度；（）使用范圍較廣，均勻性及互換性好；（）主要缺點有：微分熱電勢較小，因而靈敏度較低；價格較貴，機械強度低，不適宜在還原性氣氛或有金屬蒸汽的條件下使用。、鉑銠13鉑熱電偶（分度號為，也稱為單鉑銠熱電偶）該熱電偶的正極為含13%的鉑銠合金，負極為純鉑，同S型相比，它的電勢率大15%左右，其它性能幾乎相同，該種熱電偶在日本產(chǎn)業(yè)界，作為高溫熱電偶用得最多，而在中國，則用得較少；、鉑銠30鉑銠6熱電偶（分度號為，也稱為雙鉑銠熱電偶）該熱電偶的正極是含銠30%的鉑銠合金，負極為含銠6%的鉑銠合金，在室溫下，其熱電勢很小，故在測量時一般不用補償導線，可忽略冷端溫度變化的

24、影響；長期使用溫度為1600，短期為1800，因熱電勢較小，故需配用靈敏度較高的顯示儀表。型熱電偶適宜在氧化性或中性氣氛中使用，也可以在真空 氣氛中的短期使用；即使在還原氣氛下，其壽命也是或型的1020倍；由于其電極均由鉑銠合金制成，故不存在鉑銠鉑熱電偶負極上所有的缺點、在高溫 時很少有大結晶化的趨勢，且具有較大的機械強度；同時由于它對于雜質的吸收或銠的遷移的影響較少，因此經(jīng)過長期使用后其熱電勢變化并不嚴重、缺點價格昂貴 （相對于單鉑銠而言）。4、鎳鉻硅鎳硅熱電偶（分度號為）該熱電偶的主要特點是：在1300以下調溫抗氧化能力強，長期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)復現(xiàn)性好，耐核輻射及耐低溫性能好，另外，在4

25、001300范圍內，型熱電偶的熱電特性的線性比型偶要好；但在低溫范圍內（-200400）的非線性誤差較大，同時，材料較硬難于加工。5、銅銅鎳熱電偶（分度號為）T型熱電電偶,該熱電偶的正極為純銅，負極為銅鎳合金（也稱康銅），其主要特點是：在賤金屬熱電偶中，它的準確度最高、熱電極的均勻性好；它的使用溫度是-200350，因銅熱電極易氧化，并且氧化膜易脫落，故在氧化性氣氛中使用時，一般不能超過300，在-200300范圍內，它們靈敏度比較高，銅康銅熱電偶還有一個特點是價格便宜，是常用幾種定型產(chǎn)品中最便宜的一種。6、鐵康銅熱電偶（分度號為）J型熱電偶,該熱電偶的正極為純鐵，負極為康銅（銅鎳合金），具特

26、點是價格便宜,適用于真空氧化的還原或惰性氣氛中，溫度范圍從-200800，但常用溫度只是500以下，因為超過這個溫度后，鐵熱電極的氧化速率加快，如采用粗線徑的絲材，尚可在高溫中使用且有較長的壽命；該熱電偶能耐氫氣（2）及一氧化碳（）氣體腐蝕，但不能在高溫（例如500）含硫（）的氣氛中使用。7、鎳鉻銅鎳（康銅）熱電偶（分度號為）型熱電偶是一種較新的產(chǎn)品，它的正極是鎳鉻合金，負極 是銅鎳合金（康銅），其最大特點是在常用的熱電偶中，其熱電勢最大，即靈敏度最高；它的應用范圍雖不及型偶廣泛，但在要求靈敏度高、熱導率低、可容許大 電阻的條件下，常常被選用；使用中的限制條件與型相同，但對于含有較高濕度氣氛的

27、腐蝕不很敏感。除了以上8種常用的熱電偶外，作為非標準化的熱電偶還有鎢錸熱電偶，鉑銠系熱電偶，銥鍺系熱電偶，鉑鉬系熱電偶和非金屬材料熱電偶等。8、鎳鉻鎳硅（鎳鋁）熱電偶（分度號為）該熱電偶的正極為含鉻10%的鎳鉻合金，負極為含硅3%的鎳硅合金（有些國家的產(chǎn)品負極為純鎳）?？蓽y量01300的介質溫度，適宜在氧化性及惰性氣體中連續(xù)使用，短期使用溫度為1200，長期使用溫度為1000，其熱電勢與溫度的關系近似線性。鎳鉻鎳鋁熱電偶與鎳鉻鎳硅熱電偶的熱電特性幾乎一樣，但是鎳鋁合金在高溫下容易氧化，穩(wěn)定性差，而鎳硅合金在抗氧化和熱電特性的穩(wěn)定性方面都比鎳鋁合金要強。因此我國基本上用鎳鉻鎳硅熱電偶取代了鎳鉻鎳

28、鋁熱電偶，國外仍有用鎳鉻鎳鋁熱電偶。表3-1 常用熱電偶的材料規(guī)格和線徑使用溫度的關系熱電偶分度號熱電極材料線徑與作用溫度的關系（）正極負極線徑（mm）長期短期鉑銠10純鉑0.513001600鉑銠13純鉑0.513001600鉑銠30鉑銠60.516001800鎳鉻鎳硅1.280010002.5110012003.212001300鎳鉻硅鎳硅1.280010002.5110012003.212001300鎳鉻銅鎳1.25506502.06507503.2750850純銅銅鎳1.6300350鐵銅鎳2.04005003.2500600K型也即鎳鉻鎳硅熱電偶，它是一種能測量較高溫度的廉價熱偶。由

29、于這種合金具有較好的高溫抗氧化性，可適用于氧化性或中性介質中。它可長期測量1000度的高溫，短期可測到1200度。它不能用于還原性介質中，否則，很快腐蝕，在此情況下只能用于500度以下的測量。它比S型熱偶要便宜很多，它的重復性很好，產(chǎn)生的熱電勢大，因而靈敏度很高，而且它的線性很好。雖然其測量精度略低，但完全能滿足工業(yè)測溫要求，所以它是工業(yè)上最常用的熱電偶。因此本次設計選用K型熱電偶。3.1.3 溫度信號隔離器運算放大器（常簡稱為“運放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網(wǎng)絡共同組成某種功能模塊。由于早期應用于模擬計算機中，用以實現(xiàn)數(shù)學運算，故得名“運算放大器”，此名稱一

30、直延續(xù)至今。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導體芯片當中。隨著半導體技術的發(fā)展，如今絕大部分的運放是以單片的形式存在。運放作為通用性很強的有源器件，它不僅可以用于信號的運算、處理、變換和測量還可以用來產(chǎn)生正弦或非正弦信號。不僅在模擬電路中得到廣泛應用，而且在脈沖數(shù)字電路中也得到日益廣泛的應用。因此，它的應用電路品種繁多，為了分析這些電路的原理，必須了解集成運放的基本特性?，F(xiàn)今運放的種類繁多，廣泛應用于幾乎所有的行業(yè)當中。在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中,總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設計的。目

31、前常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。OP07高精度運算放大器具有極低的輸入失調電壓，極低的失調電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度及長期穩(wěn)定等特點?？蓮V泛應用于穩(wěn)定積分、精密絕對值電路、比較器及微弱信號的精確放大，尤其適應于宇航、軍工及要求微型化、高可靠的精密儀器儀表中。本次設計使用的OP07主要是用于對信號的隔離，由于前段電路的干擾，可能會造成信號的失真，因此OP07減少了測試電路的干擾，起到隔離的作用，盡量減小量化誤差。圖3-2 op07外引線排列3.1.4 MC1403低壓基準芯片MC1403是美國摩托

32、羅拉公司生產(chǎn)的高準確度、低溫漂、采用激光修正的帶隙基準電壓源，國產(chǎn)型號為5G1403和CH1403。一般用作812bit的D/A芯片的基準電壓等一些需要基本精準的基準電壓的場合。輸出電壓: 2.5 V /- 25 mV ，輸入電壓范圍: 4.5 V 40 V， 輸出電流: 10 mA圖3-3 MC1403引腳排列3.2 熱電偶的冷端處理與補償AD592是美國AD公司推出的一款高性能的集成溫度傳感器，比AD590的誤差小而且成本低，能線性地將溫度轉換為電流信號輸出。電流輸出型溫度傳感器的主要特點是輸出阻抗高，輸出電流不受傳輸線路電壓降和電壓噪聲的影響，且對電源電壓的脈動和漂移具有很強的抑制能力，

33、因此，AD592是一款溫度檢測的理想器件。AD592分為三檔: AD592A ,AD592B 和AD592C。主要特點如下:(1) 測溫精度高。在單電源供電時, 測量精度最高可達013(典型值)。測量范圍-25105。重復性誤差和長期穩(wěn)定性均小于011。(2) 是兩端集成溫度傳感器, 外圍電路簡單。在常溫測量領域中, 可取代電熱調節(jié)器、電阻式溫度檢測器、熱電偶和PN 結等傳統(tǒng)的溫度傳感器。電流溫度系數(shù)仍為1K。(3) 輸出阻抗高, 互換性很強。(4) 電壓范圍4 30V。即使供電不穩(wěn)定或者在反向電壓高達20V 時, 也不會損壞芯片。由AD592 構成的熱電偶冷端溫度補償電路電路,如圖所示。所謂

34、冷端溫度補償, 就是在冷端加入一個受同一環(huán)境溫度控制、相反極性的補償電勢E1, 從而使冷端的總熱電勢不再隨環(huán)境溫度而變化。圖中, 由AD592 和電阻R1 來提供E1, 其極性為上正下負, 并且:E1=(1AK)R1T =(1A)R1 t (1)對于K 型(鎳鎘鎳硅) 熱電偶, 它具有正的電壓溫度系數(shù), 還稱塞貝克( Seebeck ) 系數(shù), K1 = +41.269V + 41V?，F(xiàn)取R1= 41,代入(1) 式中得到補償電壓e1=(41V) , 實現(xiàn)冷端溫度自動全補償。需要注意, 使用其他類型熱電偶時, 需相應調整R1 的阻值。電阻R4 和R5 調節(jié)輸出電壓靈敏度的。圖3-4 由AD59

35、2 構成的熱電偶冷端溫度補償電路由于軟件的限制，對AD592 構成的熱電偶冷端溫度補償電路做出一定的調整，電路原理圖如圖所示圖3-5 電路原理硬件系統(tǒng)由前端感溫裝置（溫度傳感器）、數(shù)據(jù)采集卡、PC機系統(tǒng)等組成，主要實現(xiàn)溫度信號采集、轉化、處理等功能。本系統(tǒng)前端感溫裝置采用K型電偶，熱熱電偶與R2串聯(lián)分壓，電路輸出電壓與溫度成正比。AD592芯片對熱電偶進行冷端補償，MC1403芯片對輸入的電流進行整形，得到基準電壓2.5V。傳感器通常輸出的信號較小，必須采用合適的信號調理電路（如放大），OP07主要減少測試電路的干擾，起到隔離的作用，盡量減小量化誤差。當溫度變大時，熱電偶在分壓點產(chǎn)生一線性電壓

36、，經(jīng)電壓跟隨器保持后，進行一級放大，輸出一個正向、與溫度變化大小成正比的線性電壓。測量電路輸出的模擬電壓送入數(shù)據(jù)采集卡，轉化為數(shù)字信號再輸入PC機4 LABVIEW軟件模塊的設計4.1 溫度信號處理的設計4.1.1 前面板設計軟件設計主要完成數(shù)據(jù)采集與控制、測試結果的分析和記錄、數(shù)據(jù)查詢等，同時為用戶提供一個方便的操作界面。用戶界面（前面板）是虛擬儀器的重要組成部分，儀器參數(shù)的設置、測試結果顯示等功能都是通過軟件實現(xiàn)，因此要求軟件界面簡單直接，便于使用。本系統(tǒng)采用LabVIEW8.2軟件設計了用戶界面如圖所示。該界面可顯示經(jīng)傳感器檢測、數(shù)據(jù)卡采集并轉換得到的電壓波形的變化，同時將標定后得到的溫

37、度值分別用波形、和數(shù)值方式顯示出來，適應不同用戶的需求，如圖所示。圖4-1 用戶界面4.1.2 框圖程序設計完成相應的硬件模塊配置后，虛擬儀器設計的主要工作就是編制相應的軟件，用軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)采集、存儲、分析和顯示等功能。LabVIEW的源程序為框圖式的，且提供了非常豐富的庫函數(shù)，從數(shù)據(jù)采集到儀器控制，從信號產(chǎn)生到信號處理，從數(shù)據(jù)分析到圖形顯示，從文件讀寫到網(wǎng)絡通信，多種多樣，大大提高了用戶編程的效率，減輕了編程工作量。儀器驅動程序主要用來初始化虛擬儀器，并設置特定的參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持正常的工作狀態(tài)，LabVIEW 已為PCI一625l卡配備了驅動程序。在 LabVIEW

38、環(huán)境下開發(fā)的應用程序稱之為VI (Virtual Instrument)。VI由軟面板程序和數(shù)據(jù)分析處理程序等組成。軟面板程序由一個人機交互的界面一前面板(Front Pane1)和相當于源代碼功能的框圖程序一后面板(Diagram)組成。軟面板程序用來提供虛擬儀器與用戶的接口。前面板是在計算機屏幕上生成一個與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面，可設置控制按扭和顯示窗口，用戶可以通過前面板上的開關和按鈕實現(xiàn)對虛擬儀器的操作，顯示窗口可以以文本或圖形形式顯示測量結果。圖4-1為溫度測量系統(tǒng)的前面板設計，采用文本方式、溫度計方式和實時趨勢圖顯示測量溫度的變化，在實時趨勢圖中新數(shù)據(jù)連續(xù)擴展在已有數(shù)據(jù)的后面，

39、波形連續(xù)向前推進顯示。測量數(shù)據(jù)還可以數(shù)據(jù)文本文件方式進行保存，以便分析處理和波形回放。本系統(tǒng)程序框圖設計主要包括數(shù)據(jù)的測量與采集、模擬數(shù)據(jù)讀取、電壓-溫度轉換、數(shù)據(jù)處理及顯示、設備釋放等模塊，其中有些模塊直接調用LabVIEW中的子模塊（庫函數(shù)），如乘法、減法、比較超限與否、定時器等;還有些如Create/Release ID、AD Int/Read/Close等模塊由用戶自定義設計實現(xiàn)。圖4-2 測溫系統(tǒng)程序框圖各模塊的原理分析：(1)數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)溫度的測量，并把采集到的數(shù)據(jù)全部存儲到數(shù)據(jù)表中，以備后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、計算及打印。數(shù)據(jù)采集是該系統(tǒng)軟件的主要功能，也是其他模塊進行

40、數(shù)據(jù)處理、圖形繪制的基礎。LabVIEW可通過數(shù)據(jù)采集模塊顯示實際的信號波形。當數(shù)據(jù)采集模塊采集實測信號時，得到一組離散的信號值，通過圖形顯示控件在計算機顯示器上逐點顯示并連線，即可實時顯示被測信號。圖4-3 數(shù)據(jù)采集模塊框圖圖4-4 數(shù)據(jù)采集子程序原理圖(2)數(shù)據(jù)轉換模塊 采樣程序循環(huán)一次，就預處理采集數(shù)據(jù)，主要是對電壓信號轉換為溫度。由于熱電偶所產(chǎn)生的電壓信號較小，因此對采集到放大后的電壓信號進行除法運算，還原熱電偶的實際電壓值，對實際的電壓信號數(shù)組進行排列，對分度表的程序進行索取，也就是將實際的電壓信號通過轉換模塊中的查表程序進行比較，當所采集到的電壓信號超出分度表所定義的值時，輸出停止

41、，進入下一次循環(huán)采集，當所采集到的電壓信號處于分度表所定義的值時，對電壓信號與分度表的電壓進行比對，輸出相應的溫度數(shù)組，轉換成功。查表程序也就是將K型熱電偶的分度表以文本的形式編寫到查表的程序當中，對采集到電壓信號與分度表的數(shù)據(jù)進行比較輸出.由于儀器用于機房和通信設備的現(xiàn)場中，干擾源較多。為了減少對采樣數(shù)據(jù)的干擾，提高儀器系統(tǒng)性能，在數(shù)據(jù)處理之前，需對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波。所謂數(shù)字濾波，就是通過特定的計算程序處理，減少干擾信號在有用信號中所占的比例，實質上是一種程序濾波。圖4-5 數(shù)據(jù)轉換模塊框圖圖4-6 查表程序原理圖（3）數(shù)據(jù)顯示模塊 采集與轉換模塊所得結果的圖形顯示，是采用LabVIEW

42、軟件中的chart圖表函數(shù)結合溫度計及數(shù)字顯示欄來配合完成的。對轉換的數(shù)據(jù)進行數(shù)組的創(chuàng)建，所得的數(shù)組一數(shù)字與溫度曲線的形式顯示到前面板，當輸出數(shù)據(jù)為真實值時，循環(huán)繼續(xù)，如圖所示。圖4-7顯示模塊框圖圖4-8 前端顯示界面(4)數(shù)據(jù)保存模塊 數(shù)據(jù)保存是在數(shù)據(jù)保存模塊創(chuàng)建文本文件，將所得數(shù)據(jù)組進行由小到大的順序排列后，將數(shù)據(jù)保存為*.txt文件，保留在預定的目錄里。數(shù)據(jù)保存主要是將所測得數(shù)據(jù)進行存儲，將電壓與溫度數(shù)值以數(shù)組的形式保存，以便對后續(xù)數(shù)據(jù)進行比較，分析與處理，如圖所示。圖4-9 數(shù)據(jù)保存模塊框圖圖4-10 數(shù)據(jù)保存程序原理圖(5)文件打開模塊 文件打開模塊主要是由文件的調用和文件的查看兩

43、部分組成，如圖所示。文件的調用主要是將程序文件夾中保存的文件進行打開，對文件中的數(shù)組輸出。文件查看就是將溫度轉換成溫度曲線的形式顯示輸出，輸出要由一定的延時，可根據(jù)實際情況對延時時間進行調整。圖4-11 文件打開模塊框圖圖4-12 文件調用程序原理圖圖4-13 文件查看程序原理圖(6)退出模塊 退出模塊主要是在測量結束后，終止所有運行程序，同時運行按鈕彈起，恢復到初始，整個測試過程終止，如圖所示。 圖4-14 退出程序框圖5 系統(tǒng)調試及結果分析5.1 系統(tǒng)調試1.首先將測溫探頭與被校表在相同溫度（室溫）下放置20分鐘，然后用標準水銀溫度汁測出該環(huán)境溫度 。2.再把測溫探頭與標準水銀溫度計一同置于冰水混合物中。調整滑動變阻器，使被校表的顯示值為（0.000.01） 。3.把探頭熱端插人100 沸水中調節(jié)滑動變阻器改變基準電壓值，使被校表顯示99100，在海拔較高的地區(qū)，水的沸點會低予100 此時只要儀表顯示值與標準水銀溫度計所指示的沸點溫度相符(允許l